Расчет установки для абсорбции диоксида углерода водой

Распределение температур теплоносителей на концах теплообменника представлено на рисунке 4.1.

 

Вода                10 °C       20 °C

Поглотитель   20 °C       42 °C

Рис. 4.1

Распределение температур теплоносителей на концах теплообменника

 

Для определения разности температур на концах теплообменника служат следующие уравнения:

,  (4.5)

,  (4.6)

где —начальная температура поглотителя, °C; —конечная температура поглотителя, °C; —начальная температура охлаждающего теплоносителя, °C; —конечная температура охлаждающего теплоносителя, °C.

В виду того, что    , то средняя разница температур определяется

,  (4.7)

.

Примем минимальное значение коэффициента теплопередачи 800 . При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит (4.4)

.

Выбор теплообменника

 

В пластинчатых теплообменниках поверхность  теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными). В пластинах разборных теплообменников имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей. Из табл. 2.3. /3/ выбираем теплообменник по ГОСТ 15518-83 и его конструктивные характеристики из табл. 2.14. /3/

Таблица 4.1

 

Поверхность теплообмена, м2	600
Число пластин, шт.	464
Масса аппарата, кг	12430
Поверхность пластины, м2	1,3
Эквивалентный диаметр канала, мм	9,6
Поперечное сечение канала, м2	0,00425
Приведенная длина канала, м	1,47
Диаметр условного прохода штуцеров мм	300

(4.10)

Среднюю температуру поглотителя  рассчитываем как среднее арифметическое его начальной и конечной температур (4.2).

Средняя температура второго теплоносителя определяется как

 (4.8)

В дальнейших расчетах соответственно определенным температурам берут все  физические свойства.

Определение коэффициента теплоотдачи для поглотителя

 

Принимаем температуру стенки со стороны  горячего теплоносителя  равной 26,16 °C.

Температурный напор со стороны  поглотителя составляет /1/:

,   (4.9)

где —температурный напор со стороны поглотителя, °C; —температура стенки со стороны поглотителя, °C.

Перед выбором уравнения для  расчета критерия Нуссельта необходимо определить режим течения теплоносителя. Для определения режима течения  теплоносителя служит критерий Рейнольдса:

,  (4.10)

где w—скорость движения теплоносителя в теплообменнике, м/с; d_э— эквивалентный диаметр, м; —плотность теплоносителя, ; m—динамический коэффициент вязкости, Па×с.

Для определения скорости движения поглотителя в межтрубном пространстве служит следующее уравнение:

,  (4.11)

где G—массовый расход поглотителя; r—плотность поглотителя в межтрубном пространстве теплообменника при температуре 31 °С; N/2—число каналов (компоновка пластин самая простая, т.е. по одному пакету (ходу) для обоих потоков); 995,6  /4/; S_пр—поперечное сечения канала, 0,00425 м² /3/.

После определения всех составляющих уравнения для расчета критерия Рейнольдса можно рассчитать (4.10):

При турбулентном движении теплоносителя  (Re>50) для определения числа Нуссельта теплоносителя /3/:

 (4.12)

Критерий Нуссельта равен

  (4.13)

Следовательно, коэффициент теплоотдачи  для поглотителя

Относительная тепловая нагрузка определяется из выражения

,  (4.14)

Определение коэффициента теплоотдачи для охлаждающей воды

 

Температура поверхности стенки со стороны второго теплоносителя (охлаждающей  воды) определяется по уравнению /2/:

,  (4.15)

где Sr_ст—суммарное  термическое сопротивление стенки и ее загрязнений, ;

Расчет суммарного термического сопротивления  стенки производится по  
формуле /2/:

  (4.16)

где  d_ст—толщина стенки, равная 0,001м /3/; l_ст—коэффициент теплопроводности материала стенки (нержавеющей стали), 17,5 /4/; r₁ и r₂—термические сопротивления загрязнений стенок со стороны поглотителя и охлаждающей воды, /4/.

После определения неизвестных  величин по уравнению (4.16) рассчитывается температура стенки со стороны воды:

Температурный напор со стороны  охлаждающей воды составляет

,   (4.17)

где —температурный напор со стороны охлаждающей воды, °C; —температура стенки со стороны охлаждающей воды, °C.

Для расчета коэффициента теплоотдачи  для воды необходимо выбрать уравнение  для расчета критерия Нуссельта. Перед выбором уравнения для  расчета критерия Нуссельта необходимо определить режим течения теплоносителя в трубах.

Для определения скорости движения охлаждающей воды в трубах служит уравнение (4.11):

Критерий Рейнольдса:

Это значение соответствует турбулентному режиму движения воды. Число Нуссельта определяется по формуле (4.12)

 

Следовательно, коэффициент теплоотдачи  по (4.14):

Относительная тепловая нагрузка со стороны охлаждающей воды по формуле (4.14):

Определение погрешности в расчете:

Т.к. погрешность составляет менее 5%, то принятая температура стенки может  считаться удовлетворительной и  соответствующей истине /4/.

Определение величины средней тепловой нагрузки производится по следующему уравнению:

.  (4.18)

Определение коэффициента теплопередачи и истинной поверхности теплообмена

 

Определение истинного коэффициента теплопередачи производится по следующему уравнению /2/:

,  (4.19)

где q—тепловая нагрузка, определенная по уравнению (4.18) и равная 9726,98 ; —средняя разность температур, определенная по уравнению (4.7) и равная 15,22 °С.

 

Определение истинной поверхности  теплообмена, необходимой для осуществления процесса теплообмена /4/:

  (4.20)

Теплообменник (см. п. 4.3) выбран правильно. Тогда запас поверхности будет равен

Определение гидравлического сопротивления теплообменника

 

Гидравлическое сопротивление  для каждого теплоносителя определяют по формуле /3/:

,  (4.21)

где  L—приведенная длина каналов, м (см. табл. 4.1); d_э—эквивалентный диаметр каналов, м; х—число пакетов для данного теплоносителя; —скорость в штуцерах на входе и выходе; ξ=17/Re^0,25—для турбулентного режима. Для определения скорости в штуцерах  в табл. 4.1 приведены диаметры условных проходов штуцеров. При скорости жидкости в штуцерах меньше 2,5 м/с их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

 

 

 

5. ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО 
   ОБОРУДОВАНИЯ

Подбор вспомогательного оборудования включает подбор компрессора для подачи газовой смеси и насоса для подачи поглотителя.

 

 

1. Ориентировочный расчет насоса

 

Подобрать насос для перекачивания  поглотителя при температуре 42 °С из емкости в аппарат, работающий под давлением 2,4 МПа. Процесс осуществляется в соответствии со следующей монтажной схемой (см. рис. 5.3).

1. Выбор трубопровода для всасывающей и нагнетательной линии.

Расход поглотителя 343,17 , учитывая, что плотность воды при 42 °С равна 991,2 , то объемный расход поглотителя .

Для всасывающего и нагнетательного  трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 . Тогда диаметр по формуле (3.40)

Выбираем  трубу из стали Ст3  по ГОСТ 380-94 с наружным диаметром 530 мм, толщиной стенки 9 мм (отклонения от наружнего диаметра ±4,5 мм). Внутренний диаметр трубы 500 мм. Фактическая скорость воды в трубе

2. Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Число Рейнольдса m =0,655 м при 42 °С для воды

Режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной D=2×10^-4 м. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

Далее получим:

.

Таким образом, в трубопроводе имеет  место смешанное трение, и расчет коэффициента трения l следует проводить по формуле /3, стр. 14/

.  (5.1)

.

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

1. вход в трубу (принимаем с острыми краями): x₁=0,5;
2. прямоточный вентиль для d=0,5 м:

Сумма местных сопротивлений

.  (5.2)

Потерянный напор во всасывающей  линии находим по формуле /3/

.  (5.3)

где l–длина трубопровода, м.

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений для нагнетающей  линии:

1)Выход из трубы: x₁=1

2)колено с углом 90° (18шт.): для d=0,5 м /3/.

3)теплообменник или

Сумма местных сопротивлений по формуле (5.3)

Потерянный напор в нагнетательной линии по формуле (5.4)

3. Выбор насоса.

Находим потребный напор насоса по формуле /3, стр. 21/

  (5.4)

где p₁ – давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость; p₂ – давление в аппарате, в который перекачивается жидкость; H_Г – геометрическая высота подъема жидкости; h_п – суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях.

.

Такой напор при заданной производительности можно обеспечить путем параллельной установки трех центробежных многоступенчатых секционных насосов марки ЦНС500-320.

 

2. Выбор компрессора

Необходимо подобрать компрессор для перекачивания газовой смеси  через абсорбер. Расход газовой смеси  , температура поступающей смеси 20 °С. Исходная газовая смесь содержит 2 % СO₂ и 98 % воздуха. Газовая смесь вводиться в нижнюю часть абсорбера, где происходит процесс абсорбции под давлением 2,4 МПа. Следовательно, выбираем одноступенчатый поршневой компрессор марки 4M 10-200/2,2, мощностью 630 кВт, частотой вращения 500 мин^-1 /7/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

№2261829

СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТ УГЛЕВОДОРОДОВ ПАРОГАЗОВОЙ СРЕДЫ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ ХРАНЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТА  ИЛИ ПРИ НАПОЛНЕНИИ ИМ ЕМКОСТИ, И  УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области  струйной техники. Способ очистки от углеводородов парогазовой среды, образующейся при хранении нефтепродукта или при наполнении им емкости, включает подачу насосом жидкой среды в жидкостно-газовый струйный аппарат, откачку последним из емкости, наполняемой нефтепродуктом, и/или резервуара для хранения нефтепродукта парогазовой среды и ее сжатие в жидкостно-газовом струйном аппарате за счет энергии жидкой среды, подачу образованной в жидкостно-газовом струйном аппарате смеси парогазовой и жидкой сред в сепаратор, разделение в сепараторе смеси на газообразную фазу и жидкую среду с отводом из сепаратора газообразной фазы и жидкой среды, при этом газообразную фазу из сепаратора направляют в абсорбер, в который в качестве абсорбента подают углеводородную жидкость, в абсорбере проводят процесс абсорбции углеводородной жидкостью углеводородов из газообразной фазы, после чего очищенную от углеводородов газообразную фазу и углеводородную жидкость с растворенными в ней углеводородами газообразной фазы раздельно выводят из абсорбера, при этом в качестве нефтепродукта и углеводородной жидкости используют бензин и перед подачей в абсорбер бензин охлаждают до температуры, находящейся в диапазоне от минус 20°С до минус 80°С, а образованную в жидкостно-газовом струйном аппарате смесь парогазовой и жидкой сред сжимают до давления в сепараторе, находящегося в диапазоне от 0,15 МПа до 1,20 МПа. При этом в сепаратор или на вход насоса подают бензин и одновременно выводят из сепаратора жидкую среду в резервуар для хранения бензина или наполняемую им емкость. В результате повышается эффективность очистки парогазовой среды, образующейся при хранении бензина или при наполнении им емкости. (1—насос, 2—жидкостно-газовый струйный аппарат, 3—сепаратор, 4—абсорбер, 5—резервуар, 6—цистерна, 7,8,9,11,13,14,15,16—трубопровод, 10—холодильник, 12—теплообменник-холодильник).